CN102507053A - 一种钢化玻璃压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钢化玻璃压力传感器，包括外壳（7）和弹性体（5）及测量电路，其特征在于：采用钢化玻璃作为弹性体，采用磁控溅射工艺和光刻工艺在钢化玻璃弹性体上制有四个电阻应变片，并将四个电阻应变片连接组成惠斯顿电桥。本发明采用钢化玻璃作为敏感元件感受被测压力的大小，利用磁控溅射和刻蚀的方法制作传感元件，这种方法制作的压力传感器与原来的压力传感器相比较，具有工艺简单、成本低、由于钢化玻璃的弹性模量低于金属材料、硅材料和陶瓷材料，因此能够制作测量微小压力的传感器，并且精度高。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种采用钢化玻璃作为弹性体制作传感元件的一种压力传感器。
背景技术
压力传感器通常是用来测量管道、容器等的压力大小，压力传感器一般通常由敏感元件、传感元件和测量电路组成。敏感元件通常感受被测物理量，将被测物理量转换为应变的变化，电阻应变式传感元件通常将应变的变化转换为可测量的电阻变化，而测量电路是将电阻的变化转换为便于检测的电参数，如电压或电流的变化等。一般的压力传感器采用的是金属材料、硅材料和陶瓷材料作为敏感元件，采用粘贴电阻应变片、扩散、厚膜的方法制作传感元件。由于所用金属材料、硅材料和陶瓷材料弹性模量较高，因此测量微小压力能力较差，并且加工工艺较为复杂。
发明内容
本发明的目的就是为了克服现有技术中存在的敏感元件弹性模量较高、测量微小压力能力较差的缺点，提供一种采用钢化玻璃作为敏感元件的一种压力传感器。
本发明采用如下技术方案：
一种钢化玻璃压力传感器，包括外壳、弹性体和测量电路，其特征在于：采用钢化玻璃作为弹性体，在钢化玻璃弹性体上制有四个电阻应变片，并将四个电阻应变片连接组成惠斯顿电桥。
在钢化玻璃弹性体上制作四个电阻应变片，可以采用以下方法：在钢化玻璃弹性体上采用现有的磁控溅射工艺溅射一层金属层，然后通过现有的光刻工艺将金属层制作成四个电阻应变片及连接导带，将四个电阻应变片连接组成惠斯顿电桥。
本发明所提供的压力传感器，当玻璃弹性体承受压力作用时，钢化玻璃弹性体将产生变形，钢化玻璃弹性体上的电阻应变片的电阻阻值将虽着弹性体的变形而发生变化，根据惠斯顿电桥的和差特性，当电桥的两端加上一个电压时，另两端就有一个正比于压力变化的电信号输出，通过检测该电信号的大小，就可获得压力值的大小。
本发明采用钢化玻璃作为敏感元件感受被测压力的大小，利用磁控溅射和刻蚀的方法制作传感元件，这种方法制作的压力传感器与原来的压力传感器相比较，具有工艺简单、成本低、由于钢化玻璃的弹性模量低于金属材料、硅材料和陶瓷材料，因此能够制作测量微小压力的传感器，并且精度高。
附图说明
图1为本发明提供的一种钢化玻璃压力传感器的结构剖视图；
图2为图1中采用钢化玻璃弹性体制作的一种传感元件图；
图3为另一种采用钢化玻璃弹性体制作的传感元件图；
图4为惠斯顿电桥示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明结构及工作原理给予说明。
图1为本发明提供的一种钢化玻璃压力传感器外形结构图，它包括外壳7，外壳7上端设有插座1。外壳7内依次设有固压环3、压垫环4、钢化玻璃弹性体5、压垫环6，通过引线2将钢化玻璃弹性体5上设置的四个电阻应变片连接到插座1中。
如图2、图3所示的钢化玻璃弹性体5，钢化玻璃弹性体的几何尺寸（厚度与直径）根据受力的大小确定。图2是一种在钢化玻璃弹性体上制作的敏感元件外形图，其中应变电阻R1、R2、R3、R4较短，通过导带5a将它们引出。图3是另一种在钢化玻璃弹性体上制作的敏感元件外形图，其中应变电阻R1、R2、R3、R4制成折回形状，通过导带5b将它们引出。
图2、图3中所示的应变电阻R1、R2、R3、R4及导带，采用磁控溅射和光刻方法制作而成，首先是对钢化玻璃进行表面处理，然后在钢化玻璃弹性体上利用磁控溅射的方法溅射一层应变电阻层。 按照图4所示的惠斯顿电桥，利用光刻技术光刻电阻图形形成应变电阻R1、R2、R3、R4，电阻图形的阻值按照溅射材料和方块电阻的要求进行计算，再溅射一层导带层作为引线，根据受力情况组成一个惠斯顿电桥，最后蒸发一层绝缘层作为保护层用。
当电桥加上电压并且传感器受到压力的作用时，压力将引起钢化玻璃弹性体变形，产生应变，电阻受到应变的作用而产生电阻变化，其中两个电阻阻值增加，另两个电阻阻值减少，根据电桥的和差特性，将在电桥的另两端产生于一个正比于力（或压力）变化的电信号输出。
本发明所有的磁控溅射工艺是成熟的现有技术，就是利用电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，被加速的氩离子在电场的作用下加速轰击靶材表面并进行能量交换，能量交换后，靶材表面的原子脱离原晶格而逸出，转移到基体表面而成膜。磁控溅射的特点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积镀膜。
光刻工艺也是成熟的现有技术，就是用化学的、物理的或同时使用化学和物理的方法，有选择地把没有被抗蚀剂掩蔽的那一部分薄膜层除去，从而在薄膜上得到和抗蚀剂膜上完全一致的图形。在集成电路制造过程中，经过掩模套准、曝光和显影，在抗蚀剂膜上复印出所需的图形。
本发明的应变电阻材料可以采用康铜材料，如制作的电桥电阻R1—R4为1000欧姆；钢化玻璃弹性体采用直径φ20mm，厚度为0.3mm，可制作成0.1MPa的压力传感器。通过实验该传感器的输出信号在10V供桥电压作用下，输出为15mV，传感器的非线性、滞后、不重复性达到0.3%FS，而采用同样直径和厚度的金属弹性体材料（40Cr材料）制作的压力传感器，在相同的条件下，其输出信号只有6.5mV，传感器的非线性、滞后、不重复性为0.8%FS，分析其原因，这是由于钢化玻璃的弹性模量为70000Mpa，而金属弹性体的弹性模量为210000Mpa，由于两者弹性模量之间存在较大的区别而造成的，可见采用钢化玻璃弹性体与金属弹性体材料相比较精度和稳定性都有一定程度的提高。
Claims (2)
1.一种钢化玻璃压力传感器，包括外壳（7）和弹性体（5）及测量电路，其特征在于：采用钢化玻璃作为弹性体，在钢化玻璃弹性体上制有四个电阻应变片，并将四个电阻应变片连接组成惠斯顿电桥。
2.根据权利要求1所述的一种钢化玻璃压力传感器，其特征在于：所述钢化玻璃弹性体上制有的四个电阻应变片，是在钢化玻璃弹性体上采用磁控溅射工艺溅射一层金属层，然后通过光刻工艺将金属层制作成四个电阻应变片及连接导带，将四个电阻应变片连接组成惠斯顿电桥。
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